可調(diào)諧激光吸收光譜氣體傳感器性能提升研究.pdf

1、隨著我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展和社會進(jìn)步，目前需要對工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中的諸多環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時在線氣體檢測，以確保生產(chǎn)生活的順利進(jìn)行。對源頭氣體、中間氣體和廢氣檢測是氣體檢測的組成部分。在各種氣體檢測技術(shù)中，基于近紅外吸收光譜檢測技術(shù)正受到越來越廣泛的應(yīng)用。一方面，由于大多數(shù)生產(chǎn)生活的檢測氣體在近紅外波段具有光譜吸收特性;另一方面，由于光纖通信、半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展為近紅外光譜吸收氣體檢測技術(shù)提供了極大的便利。光纖抗電子干擾能力強(qiáng)、傳輸損耗小、質(zhì)量輕

2、，使得基于光纖的近紅外光譜吸收檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜特殊的環(huán)境中。在各種近紅外光譜吸收檢測技術(shù)中，可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)的應(yīng)用最為廣泛，常用的分支包括直接吸收技術(shù)、波長調(diào)制光譜技術(shù)以及光聲光譜技術(shù)。而基于以上技術(shù)的各種傳感器和智能儀器的研究正逐漸成為國家戰(zhàn)略發(fā)展的重要方向。
　　對于實(shí)際應(yīng)用的可調(diào)諧激光吸收光譜氣體傳感器來說，傳感器的性能和指標(biāo)直接決定了它的檢測環(huán)境和應(yīng)用范圍。為了能夠在各種環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高精度、高

3、可靠性檢測，傳感器的穩(wěn)定性、分辨率、檢測極限等指標(biāo)成為重中之重，而為了便于從光譜信息到氣體信息的反演，波形的調(diào)整恢復(fù)技術(shù)也是重要一環(huán)。因此，針對這些指標(biāo)的研究和提升工作是本論文的主要研究方向。
　　本文主要以水蒸氣檢測為例介紹了對可調(diào)諧激光吸收光譜氣體傳感器器件選擇與系統(tǒng)搭建、穩(wěn)定性、分辨率和檢測極限、波形調(diào)整恢復(fù)和檢測系統(tǒng)實(shí)例等方面進(jìn)行了分析論述。文章的主要工作包括:
　　1.闡述了分子紅外吸收的理論基礎(chǔ)，給出氣體光譜吸收

4、檢測技術(shù)的理論依據(jù)。對吸收線強(qiáng)、譜線線寬和線型函數(shù)等重要參數(shù)進(jìn)行了介紹，分析了溫度、壓強(qiáng)對譜線寬度、線型函數(shù)及檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果的影響。并對激光吸收光譜技術(shù)的常見分類—直接吸收光譜技術(shù)、波長調(diào)制光譜技術(shù)、光聲光譜技術(shù)等進(jìn)行了介紹和對比，對可調(diào)諧激光吸收光譜氣體傳感器的常用器件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹和對比。
　　2.介紹了用于提高激光吸收光譜氣體傳感器穩(wěn)定性的方法。通過改進(jìn)光學(xué)器件，減少外部環(huán)境和目標(biāo)氣體背景濃度對器件的影響，為系統(tǒng)搭建

5、奠定基礎(chǔ);通過使用波長調(diào)制技術(shù)配合減法技術(shù)，抑制系統(tǒng)的低頻掃描基線、器件內(nèi)背景氣體影響以及外部環(huán)境溫濕度的影響;通過人造吸收峰技術(shù)，在每個掃描周期內(nèi)同時檢測實(shí)際吸收與人造吸收的比例關(guān)系，抑制非吸收損耗帶來的影響;并通過相位漂移抑制技術(shù)解決激光器長期工作后相位漂移對波長調(diào)制檢測系統(tǒng)的影響。
　　3.介紹了用于提高可調(diào)諧激光吸收光譜氣體傳感器檢測極限提升的方法。通過使用Herriott池加反射鏡技術(shù)，將等效光程提高近一倍，從而提高系統(tǒng)

6、檢測極限和靈敏度近一倍;使用人造吸收峰技術(shù)，抑制不規(guī)則背景噪聲并增強(qiáng)信號識別度，增強(qiáng)低濃度信號的信噪比;使用波長調(diào)制穩(wěn)頻技術(shù)提高系統(tǒng)的信噪比，減少檢測消耗時間，提高系統(tǒng)檢測極限的同時使快速檢測成為可能。
　　4.介紹了用于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)波形恢復(fù)調(diào)整的技術(shù)方法。通過三光路先減后除配合波長調(diào)制技術(shù)，使得系統(tǒng)對激光器強(qiáng)度調(diào)制效應(yīng)抑制的同時提高系統(tǒng)信噪比;通過對各個掃描波長逐點(diǎn)進(jìn)行調(diào)制度調(diào)整，使得波形可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，既可用于

7、抑制強(qiáng)度調(diào)制帶來的影響，又可用于改善波形特殊點(diǎn)的采用率，減小誤差。
　　5.以實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)品為例，介紹了可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。在食品包裝和變電站監(jiān)測領(lǐng)域，水氣傳感器被用于進(jìn)行安全檢測和監(jiān)護(hù);在環(huán)境監(jiān)測和食品安全檢測領(lǐng)域，一氧化碳傳感器被安裝和使用。在本論文的完成過程中，主要的創(chuàng)新點(diǎn)包括:
　　1.考慮了光學(xué)器件對檢測系統(tǒng)的影響，并針對性的提出了改進(jìn)方法。通過調(diào)整器件內(nèi)各部分的間距，減少背景氣體的光程;采

8、用溫控，保證器件內(nèi)恒溫不受外部環(huán)境影響;同時采用特殊封裝并在高純氮環(huán)境下進(jìn)行封裝，減少器件內(nèi)背景氣體的含量，從而抑制器件對檢測系統(tǒng)的影響。
　　2.首次提出使用人造吸收峰技術(shù)，通過調(diào)制人造吸收峰的波長，使得在每個檢測周期內(nèi)能夠同時檢測人造吸收峰和實(shí)際吸收峰，通過比值歸一化抑制非吸收損耗帶來的影響;通過調(diào)制波長使人造吸收峰與實(shí)際吸收峰重合時，增加實(shí)際吸收檢測幅值超過不規(guī)則背景噪聲，提高低濃度吸收信號的可識別度，提高系統(tǒng)的檢測極限;同

9、時，對于直接吸收檢測系統(tǒng)，人造吸收峰可以幫助參考點(diǎn)選擇，抑制噪聲影響。
　　3.研究了激光器因長期工作造成的驅(qū)動電流與激光器強(qiáng)度調(diào)制之間的相位差漂移現(xiàn)象，并針對此現(xiàn)象首次提出解決方案。鎖相放大器的參考解調(diào)信號不再由產(chǎn)生調(diào)制信號的信號發(fā)生器產(chǎn)生而是由激光器出光后分光產(chǎn)生，可以抑制相位漂移帶來的影響，提高系統(tǒng)長期穩(wěn)定性。
　　4.提出使用波長調(diào)制技術(shù)配合穩(wěn)頻技術(shù)壓縮鎖相放大器的帶寬，提高系統(tǒng)的信噪比，同時大幅提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速

10、度，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時使得對于燃燒爆炸等快速檢測成為可能。另外，為了抑制激光器因長期工作帶來的波長漂移現(xiàn)象，提出了激光器穩(wěn)頻方案，并實(shí)現(xiàn)了理想的穩(wěn)頻效果。
　　5.首次提出動態(tài)調(diào)制度波形調(diào)整技術(shù)。在應(yīng)用波長調(diào)制光譜技術(shù)時，通過對各個掃描波長處的調(diào)制度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，可以根據(jù)需要進(jìn)行整個波形的調(diào)整，以純波長調(diào)制的理想信號為目標(biāo)可以抑制半導(dǎo)體激光器強(qiáng)度調(diào)制帶來的影響。而通過改善諧波拐點(diǎn)處的波形時，可以改善這些地方采樣率不足的問題，提